基于BD／GPS的雙模船載導航系統設計＊

許培培，楊國豪，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，廈門361021）

引 言

北斗衛星導航系統（BDS）是我國正在實施的自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統。有著集定位、授時、短報文通信及用戶檢測于一體的優勢，然而目前北斗衛星導航系統的實際應用并不理想，用戶終端設備價格偏高且研發滯后，應用規模不大。尤其在航海領域，許多與衛星導航有關的先進設備、先進技術（如電子海圖導航系統）暫不支持北斗衛星導航服務，目前船載衛星導航系統中使用最普遍的仍是GPS系統。

本文利用現有的電子海圖導航系統，在其基礎之上同時加載北斗及GPS導航定位信息，選用泰斗微電子科技有限公司推出的支持BD2／GPS的雙模授時定位模組實現北斗／GPS衛星導航信息的接收，選用具有雙串口的一款單片機負責系統的控制、信息采集、傳輸，最終實現電子海圖導航系統與北斗衛星導航系統的對接，對北斗衛星在航海領域的民用推廣有一定意義。

1 總體結構與功能

本系統將導航信息進行解析轉換，通過串口傳遞給上位機，最終在電子海圖顯示系統中顯示定位導航。按照功能要求，可將系統分為單片機控制模塊、BD／GPS雙模接收模塊、串口通信模塊、存儲系統、電源模塊等，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

2.1 北斗／GPS雙模接收模塊

TD3017芯片是北斗／GPS雙模接收模塊的核心，它是一款支持BD2B1／GPS L1的雙模授時定位模組，內部整合了雙模基帶芯片和高性能可配置的雙模雙通道射頻芯片，提供高精度、高靈敏度、低功耗、低成本的BD2／GPS雙模導航、授時服務，且具備天線狀態檢測及天線短路保護功能，支持休眠工作模式，支持軟件升級等功能［1]。

通常情況下，北斗／GPS雙模接收模塊通過外接BD2 B1／GPS L1有源天線，可接收到北斗B1頻段（即1561.098±2.046MHz）及GPS的L1頻段（即1575.42±1.023 MHz）內的衛星導航信號。有源天線接收到高頻衛星信號后，經過TD3017A模組內射頻芯片完成對信號的放大、變頻得到中頻模擬信號；再經濾波、解調、A／D轉換等操作，實現微弱射頻信號到數字中頻信號的轉換；然后再通過TD3017A模組內基帶芯片進行捕獲和跟蹤、定位結算等一系列算法處理后，解譯出北斗以及GPS的導航電文［2]；最后輸出NMEA格式的定位數據和1PPS授時信號。

模塊上電完成初始自檢后，自動接收來自天線的射頻信號，解析出導航電文，最后由串口輸出NMEA－0831數據。TD3017的串口引腳通過MAX232電平轉換芯片，可直接與上位機串口連接通信，也可以通過簡單的跳線連接與單片機系統進行串口通信［3]，硬件電路圖如圖2所示。

圖2 TD3017硬件接口電路

2.2 串口通信模塊

STC12C5A60S2單片機是一款低功耗、高性能、抗干擾能力強、價格低廉、操作簡單、實用性強的CMOS 8位微控制器，指令代碼完全兼容傳統8051，片上集成1280字節RAM，具有串口1（RxD／P3.0及TxD／P3.1和串口2（RxD2／P1.2，可通過寄存器設置到P4.2；TxD2／P1.3可通過寄存器設置到P4.3）雙串口［4]。

單片機與上位機可通過電平轉換電路實現RS232格式通信；單片機與BD／GPS信號接收模塊間，可經由MAX232進行電平轉換實現RS232通信，也可以通過簡單的跳線鏈接進行串口通信。

2.3 電源模塊

電源部分電路如圖3所示，其中AS1117－3.3是一款低壓差線性穩壓器，它能提供完善的過流保護和過熱保護功能，確保芯片和電源系統的穩定性［5]。

圖3 電源電路

3 系統程序設計

上位機的電子海圖系統選用OpenCPN，它是一個開源代碼的簡潔電子海圖導航軟件，支持GPS／GPDS定位信息輸入、BSB柵格圖表顯示、S57Vector ENChart Display、AIS輸入解碼、Waypoint Autopilot Navigation等功能［6]。單片機將從北斗／GPS信號接收模塊中接收到的BD2或GPS報文進行解析、轉換后，得到NMEA標準格式的“＄GPRMC”定位報文，通過串口傳遞給電子海圖加以顯示定位。整個程序可分為幾個部分，即主控程序、BD2／GPS定位解析程序、串口通信程序。

3.1 NMEA數據協議簡單介紹

TD3017模塊輸出的消息語句符合NMEA－0183通信標準格式，基本格式定義如下：

IDsss是語句類型標識，它由兩部分組成：ID為語句標識符，sss為語句格式符。語句標識符有BD、GP、GN、CC、P，分別代表BD2系統、GPS系統、GNSS系統、Computer Control語句、專用語句；而語句格式符分為輸入語句格式符（用于對TD3017模組進行工作模式等的切換設置），以及輸出語句格式符（有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、TXT，除了TXT是段文本信息的傳送，用于輸出天線檢測狀態或者輸出一些控制命令的響應以外，其余的與標準NMEA－0831協議一致）。

類型標識符后為數據體，由若干數據字段（d1，d2，…，dn）組成；校驗和的計算是從＄到＊之間的所有字符；＜CR＞＜LF＞表示回車換行。例如：

本實驗中利用衛星接收模塊接收到其中一條信息—＄BDRMC為幀頭，表明該語句為北斗RMC格式定位信息；字段1（084300.00）為UTC時間，hhmmss.sss為時分秒格式，即UTC時間8時43分0秒（北京時間16時43分0秒）；字段2（A）表示狀態，A＝定位，V＝未定位；字段3（2434.90608）為緯度ddmm.mmmm，度分格式；字段4（N）表示N（北緯）或S（南緯）；字段5（11805.83229）為經度dddmm.mmmm，度分格式；字段6（E）表示E（東經）或W（西經）；字段7（0.067）為速度，單位為節，Knots；字段9（151014）為UTC日期，DDMMYY格式，即14年10月15日［7]。

3.2 北斗定位模塊程序設計

北斗／GPS信號接收模塊上電后會自動不停地將接收到的數據通過串口發送出去，單片機系統由串口2接收這些數據，因而，在串口初始化（串口1及串口2都要初始化）后，等待串口2接收終端標志位置1，在串口2終端程序中，判斷串口2的接收緩沖寄存器S2BUF中的字符是否為“＄”，若是則將其存入table［] 數組中，并繼續將接下來接收到的字符逐個存入table［] 數組中，直到接收滿63個字符，即一條NMEA信息中除“＊”及回車換行以外的其他字符的總個數。暫時關閉串口2中斷，等待接下來的判斷，否則，重新判斷下一個接收到的字符是否為“＄”。

回到主程序中判斷table［4] 是否為“M”，若是則說明該條信息是一條RMC格式的信息，否則丟棄該條信息重新開始接收。接著判斷table［17] 為“A”，若是則說明該條信息定位有效，否則丟棄該條信息重新開始接收［]。

將table［] 數組中的數據前3位修改為“＄GP”后，將該數組中數據逐個發送給串口1的發送緩沖寄存器SBUF，由串口1發送給上位機電子海圖系統。程序流程如圖4所示。

圖4 定位模塊流程圖

3.3 串口通信子程序

串口通信包含兩部分：串口2從北斗／GPS信號接收模塊中接收衛星信號，再通過串口1將解析后的數據發送給上位機。源程序如下：

4 實驗結果

系統各模塊連接正確后，串口通信指示燈閃爍。圖5為上位機收到的北斗模塊直接輸出的ASCII信息，模塊默認接收GNSS，即北斗與GPS混合定位信息，圖6為單片機傳遞給上位機的ASCII信息，圖7為電子海圖系統中顯示的定位信息。

圖5 北斗與GPS混合定位信息

圖6 單片機輸出信息

圖7 電子海圖系統顯示界面

結 語

我國北斗導航系統起步較晚，尤其海上民用中許多與衛星導航有關的先進設備、先進技術暫不提供北斗衛星導航服務。本文利用簡單的單片機系統成功實現在現有電子海圖中顯示北斗衛星的船舶導航定位信息，對積極推廣北斗衛星導航系統在各種民用航海領域的應用有著一定意義。在項目設計中，通過需求分析選用合適型號的單片機系統，制定合理的軟、硬件功能劃分，實現了所需的功能。

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